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第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体与离子晶体
3.3.1 金属晶体
金属有哪些物理性质呢？
生活中的金属
一、概念：
金属阳离子和电子之间的强烈的相互作用叫做金属键。
①成键微粒：金属阳离子、自由电子
②成键本质：金属阳离子与自由电子之间的强烈的静电作用
③特征：无方向性和饱和性，自由电子可以在金属中自由移动
金属键
④金属键的存在：存在于金属单质和合金中
一般来说，金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；原子半径越小，价电子数越多，金属键越强。
二、影响因素
下列各组金属熔点高低顺序正确的是(　　)
A．Mg>Al>Ca
B．Al>Na>Li
C．Al>Mg>Ca
D．Mg>Ba>Al
【课堂练习】
由于金属原子的最外层电子数较少,容易失去电子成为金属离子,金属原子释放出的价电子不专门属于某个特定的金属离子,而为许多金属离子所共有,并在整个金属中自由运动,这些电子又称为自由电子。金属脱落下来的价电子几乎均匀分布在整个晶体中，像遍布整块金属的“电子气”，从而把所有金属原子维系在一起。
三、本质“电子气理论”
1.定义：金属原子之间通过金属键相互结合形成的晶体，叫做金属晶体。
2.组成粒子：金属阳离子和自由电子。
3.微粒间的作用力：金属键
①在金属晶体中有阳离子，但没有阴离子，所以，晶体中有阳离子不一定有阴离子，若有阴离子，则一定有阳离子。
②在金属晶体中，不存在单个分子或原子，是一个“巨分子”，金属单质或合金(晶体锗、灰锡除外)属于金属晶体。
四、金属晶体
4.金属晶体的性质
(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。
(2)熔、沸点：金属键越强，熔、沸点越高。
①同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。
②同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。
③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。
④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下为固体，熔点很高。
（1）金属或合金的延展性很好：
外力
在金属离子间的电子可以起到类似轴承中滚珠的润滑剂作用。
当金属晶体受外力作用时，晶体中各原子层就会发生相对滑动原来的排列方式不变。
“电子气理论”解释金属的物理性质
（2）金属或合金的导热性很好：
“电子气理论”解释金属的物理性质
金属部分受热，那个区域的自由电子能量增加，运动速率加快，通过与金属阳离子频繁碰撞，把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同温度。所以金属有良好的导热性。
金属晶体内部的自由电子，在电场作用下，作定向移动，从而形成了电流。
外加电场
“电子气理论”解释金属的物理性质
（3）金属或合金常温下能导电：
晶体类型 电解质 金属晶体
导电时的状态
导电粒子
导电时发生的变化
导电能力随温度的变化
水溶液或
熔融状态下
晶体状态
自由移动的离子
自由电子
思考：电解质在熔化状态或溶于水能导电，这与金属导电的本质是否相同？
化学变化
物理变化
增强
减弱
（4）金属大都有特殊的金属光泽：
由于自由电子可吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。
当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。
“电子气理论”解释金属的物理性质
资料
金属之最
熔点最低的金属是--------
汞 [-38.87℃]
熔点最高的金属是--------
钨 [3410℃]
密度最小的金属是--------
锂 [0.53g/cm3]
密度最大的金属是--------
锇 [22.57g/cm3]
硬度最小的金属是--------
铯 [0.2]
硬度最大的金属是--------
铬 [9.0]
最活泼的金属是----------
铯
最稳定的金属是----------
金
延性最好的金属是--------
铂[铂丝直径： mm]
展性最好的金属是--------
金[金箔厚： mm]
导电性最好的的金属是------
银
1.正误判断
(1)金属在常温下都是晶体( )
(2)金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用( )
(3)金属晶体在外力作用下，各层之间发生相对滑动，金属键被破坏( )
(4)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高，分子晶体的熔点一定比金属晶体的低( )
(5)金属晶体除了纯金属，还有大量的合金( )
(6)有机高分子化合物一定不能导电( )
(7)金属的电导率随温度的升高而降低( )
×
×
×
×
√
×
√
【课堂练习】
2.下列关于金属及金属键的说法正确的是(　　)
A.金属键具有方向性和饱和性
B.金属键是金属阳离子与自由电子之间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光
B
【课堂练习】
3.金属晶体的下列性质中,不能用金属晶体结构加以解释的是(　　)
A.易导电 B.易导热
C.有延展性 D.易锈蚀
D
【课堂练习】
4.下列关于金属键的叙述不正确的是(　　)
A.金属键是金属阳离子和自由电子间的强烈相互作用,也是一种电性作用
B.金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,所以与共价键类似,也有方向性和饱和性
C.金属键是金属阳离子和自由电子间的相互作用,故金属键无方向性和饱和性
D.构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动
B
【课堂练习】
5．下列有关金属键的叙述中，错误的是(　　)A．金属键没有饱和性和有方向性B．金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电作用C．金属键中的电子属于整块金属D．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
【课堂练习】
由于金属键没有饱和性和方向性，每个金属原子中的电子分布基本是球型对称的，所以把金属晶体可以看成是由直径相等的圆球的三维空间堆积而成的。
理论基础：
二、金属晶体的原子堆积模型
紧密堆积：
微粒之间的作用力，使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间。
空间利用率：
晶体空间被粒子占据的百分数（离子的体积除以晶胞的体积）。
配位数：
晶体中每个粒子周围距离最近且相等的粒子的数目。
金属原子在一维（直线）方向上的排列方式
等径圆球密置列
金属原子在二维空间（平面）上有的排列方式
等径圆球非密置层
配位数=4
配位数=6
等径圆球密置层
非密置层之间采取非密置堆积
1、简单立方堆积
[ Po ]
配位数：
空间占有率：
每个晶胞含原子数：
6
1
52%
代表金属：
金属原子半径r与正方体边长a的关系：
a
a
a
a
a = 2 r
非密置层之间采取密置堆积方式
配位数：
空间占有率：
每个晶胞含原子数：
8
68%
2
2、体心立方堆积-----钾型
代表金属：
K、Na、Fe
金属原子半径r与正方体边长a的关系：
a
a
a
a
2
a
b = 4 r
b =
3
a
a = 4 r
3
b
2
a
镁型
铜型
金属晶体的两种最密堆积方式
思考：密置层的堆积方式有哪些？
1
2
3
4
5
6
第二层可以将球对准1，3，5 位，
或对准 2，4，6 位。
1
2
3
4
5
6
A
B
，
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。
第一种是将球对准第一层的球
1
2
3
4
5
6
每两层形成一个周期
AB AB 堆积方式
形成六方紧密堆积。
配位数 12 。 ( 同层 6，上下层各 3 ) ，空间利用率为74%
六方紧密堆积的前视图
A
B
A
B
A
1
2
3
4
5
6
1200
3.六方最密堆积--镁型
配位数：
每个晶胞含原子数：
空间利用率：
代表金属：
12
（同层 6，上、下层各 3）
2
Mg、Zn、Ti
74%
六方晶胞中，DABO为正四面体，正四面体的高为c/2
a＝b＝2r
AE＝a sin 60°＝a
AG＝AE＝a
DG2＋AG2＝AD2（AD＝a）
——平行四边形的高
——正四面体的高
即 DG＝a
＝a
c＝a＝r
——晶胞的高
c＝2×边长为a的四面体高＝ 2×a＝a
V晶胞＝a2×a＝a3＝8r3
V球＝ 2×r3
晶胞中有2个球
×100%＝
知识海洋
D
金属原子的半径r与六棱柱的边长a、高h
的关系：
a = 2 r
a
h
h =
a
6
3
2
第三层的另一种排列方式将球对准第一层的
2，4，6 位，不同于 AB 两层的位置，这是 C 层
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
面心立方最密堆积的前视图
A
B
C
A
A
B
C
第四层再排 A
ABC ABC 三层一个周期 面心立方最密堆积。
4.面心立方最密堆积-铜型
B
C
A
1
2
3
4
5
6
B
C
A
配位数：
空间占有率：
每个晶胞含原子数：
B
C
A
12
74%
4
代表金属：
Cu、Ag、Au
边长为 a
面对角线边长为 a＝4r
金属原子半径 r与正方体边长a 的关系：
密堆积的八面体空隙和四面体空隙
堆积方式 晶胞类型 空间利用率 配位数 实例
面心立方最密堆积
堆积方式及性质小结
简单立方堆积
体心立方密堆积
六方最密堆积
面心立方
六方
体心立方
简单立方
74%
74%
68%
52％
12
12
8
6
Cu、Ag、Au
Mg、Zn、Ti
Na、K、Fe
Po
三、空间利用率的计算
空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。
球体积
空间利用率= = 100%
晶胞体积
a
a
a
a
a = 2 r
1、简单立方晶胞
空间利用率=
4πr3/3
(2r)3
=
≈52%
π
6
a
a
a
a
2
a
b = 4 r
b =
3
a
a = 4 r
3
b
2
a
2、体心立方晶胞
a = 4 r /
3
空间利用率=
2×4πr3/3
( )3
=
≈68%
π
8
4 r /
3
3
边长为: a
面对角线边长为: b
a＝4r
＝ a
a＝4r/
空间利用率=
4×4πr3/3
( )3
=
≈74%
π
6
4 r /
3、面心立方晶胞
a = 2 r
a
h
h =
a
6
3
2
4、六方密堆积
平行四边形的面积：
2
2
3
60
sin
a
a
a
S
=
×
=
o
a = 2 r
a
h
h =
a
6
3
2
3
3
2
2
8
2
3
6
2
2
3
r
a
a
a
V
=
=
X
=
晶胞
空间利用率=
2×4πr3/3
8 r3
=
≈74%
π
6
石墨晶体结构模型
石墨是层状结构的混合型晶体
石墨晶体结构俯视图
1．下列有关金属元素特征的叙述中正确的是
A．金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性
B．金属元素在化合物中一定显正价
C．金属元素在不同化合物中的化合价均不同
D．金属单质的熔点总是高于分子晶体
能力训练
2.下列生活中的问题，不能用金属键知识解释的是 （ ）
A.用铁制品做炊具
B.用金属铝制成导线
C.用铂金做首饰
D.铁易生锈
D
3.下列物质中含有金属键的是 ( )
A、金属铝 B、合金
C、NaOH D、NH4Cl
AB
4.金属键的强弱与金属价电子数的多少有关，价电子数越多金属键越强；与金属阳离子的半径大小也有关，金属阳离子的半径越大，金属键越弱。据此判断下列金属熔点逐渐升高的是 （ ）
A、Li Na K B、Na Mg Al
C、Li Be Mg D、Li Na Mg
B
5.下列有关金属晶体叙述正确的是（ ）
A、常温下金属单质都以金属晶体形式存在
B、金属离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失
C、钙的熔、沸点低于钾
D、温度越高，金属的导电性越好
B
6.下列有关金属元素特征的叙述中正确的是
A.金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性
B.金属元素在化合物中一定显正价
C.金属元素在不同化合物中的化合价均不同
D.金属单质的熔点总是高于分子晶体
√
7.某些金属晶体(Cu、Ag、Au)的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体中原子的空间利用率。
金属“电子气理论”
金属晶体
1.试用“电子气理论”解释为什么金属具有良好的①延展性、
②导电性、③导热性。
①当金属受到外力作用时，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，原来的排列方式不变，电子气也没有被破坏，所以金属有良好的延展性；
②金属晶体中的自由电子在电场中定向移动而形成电流，呈现良好的导电性；
③金属部分受热，那个区域的自由电子能量增加，运动速率加快，通过与金属阳离子频繁碰撞，把能量从温度高的部分传到温度低的部分，呈现良好的导热性。
【思考与讨论】
金属晶体可以看成金属原子等径圆球在三维空间中堆积而成.那么,非密置层在三维空间里有几种堆积方式？不同方式堆积时金属晶体的配位数、空间利用率、晶胞类型是什么？
思考与交流

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